(57)【要約】  高トルク性を一定に保持しつつ高精度に回転制御でき、特に、各種バルブの回転制御用として好適な回転アクチュエータを提供する。  軸方向に捩れ角を有する回転構造体２を駆動エネルギー源６を介して回動可能に設け、この回動構造体２を軸方向に拘束した状態で配設して構造体２の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体３に伝達した回転アクチュエータである。
2011055750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向にねじれ角を有する回転構造体を駆動エネルギー源を介して回動可能に設け、この回動構造体を軸方向に拘束した状態で配設して構造体の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体に伝達したことを特徴とする回転アクチュエータ。
【請求項２】
前記回転構造体と出力軸体との間に動力伝達機構を設け、この動力伝達機構は、前記回転構造体が発生した応力により一方向に回転するときに前記出力軸体に回転を伝達し、前記回転構造体が逆方向に回転して元の状態に戻るときに前記出力軸体への回転伝達を停止する機構である請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項３】
前記回転構造体は、円筒状の弾性体と、この弾性体の軸方向にねじれ角を有する複数の線材とを有し、前記弾性体の内側から圧力を加えたときに前記線材により軸方向のねじれ回転を生じる構造体である請求項１又は２に記載の回転アクチュエータ。
【請求項４】
前記回転構造体の内側に密閉空間となる流体供給排出領域を設け、この流体供給排出領域内に駆動エネルギーとして適宜の流体の供給と排出とを繰り返し行って前記回転構造体の回転を前記出力軸体に伝達した請求項２又は３に記載の回転アクチュエータ。
【請求項５】
前記流体供給排出領域に所定圧の流体をパルス状に印加する流体供給排出手段を駆動エネルギー源として接続した請求項４に記載の回転アクチュエータ。
【請求項６】
前記回転構造体は、軸方向にねじれ角を有し、電圧の印加時に長さの縮む形状記憶合金製の複数の金属線材を適宜数含んだ略円筒状の構造体である請求項１又は２に記載の回転アクチュエータ。
【請求項７】
前記回転構造体に駆動エネルギー源として電圧印加手段を設け、この電圧印加手段により繰り返し電圧を印加して前記回転構造体の回転を前記出力軸体に繰り返し伝達した請求項２又は６に記載の回転アクチュエータ。
【請求項８】
前記電圧印加手段は、電圧をパルス状に印加する機能を有する印加手段である請求項７に記載の回転アクチュエータ。
【請求項９】
前記動力伝達機構は、前記出力軸体の外周側に設けられる円筒部と、この円筒部の外周側に軸方向に移動可能に装着され、内外周側に伝達面を有する伝達部材と、この伝達部材の外周側に配設される筒状のケーシングとを同軸に有し、前記回転構造体の両端側を前記伝達部材で保持しつつ、前記駆動エネルギ−源を一側部から供給したときに、前記伝達部材が、前記回転構造体の一側部で前記ケーシングとかみ合いつつ前記円筒部とのかみ合いが外れ、他側部で前記ケーシングとのかみ合いが外れつつ前記円筒部とかみ合って前記回転構造体の一側部を前記ケーシングに保持しながら回転構造体にねじれ回転を加えて他側部を回転させ、この回転トルクを前記円筒部を介して前記出力軸体に伝達する機構である請求項２乃至８の何れか１項に記載の回転アクチュエータ。
【請求項１０】
前記回転構造体の両端側外周面に熱収縮性チューブを熱収縮により固着し、この熱収縮性チューブを固着した前記回転構造体の両端部を、前記伝達部材を成す内側伝達部材と外側伝達部材との螺着により固定保持した請求項９に記載の回転アクチュエータ。
【請求項１１】
前記内側伝達部材の外周面に少なくとも１つの竹の子部を形成し、この竹の子部を前記回転構造体両端部の内周面に食い込ませた請求項１０に記載の回転アクチュエータ。
【請求項１２】
前記出力軸体に回転弁や昇降動弁等のバルブを接続した請求項１乃至１１の何れか１項に記載の回転アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、生産設備等における装置の自動化などに利用され、空気圧、電気等の駆動エネルギー源により動作する回転アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、装置の自動化などに用いられるアクチュエータとして、例えば、ピストンシリンダー、モータなどのアクチュエータが知られている。このうち、カム、リンク、歯車などの機械部品を内部機構として有し、この内部機構により直線運動・回転運動などに変換して出力するアクチュエータがある。その中で、出力側が回転運動となるアクチュエータは、例えば、バルブに利用され、このアクチュエータの内部機構においては、一般的に、被駆動体に動力を伝達する出力部が軸体形状になっている。内部機構により変換された回転運動は、軸体が回転することで外部に伝達される。すなわち、この変換機構では、同一軸体である出力軸の両端部は、常に同一の回転方向になっている。【０００３】
この種の機械部品を有する変換機構を備えたアクチュエータは、機械部品間の摩擦による熱損失を発生したり、部品間への異物の浸入や傷の発生などによる劣化が生じたり、或は、部品間の摩耗に伴うヒステリシスの発生による動作特性の劣化が発生しやすくなっている。これらを防止するために、潤滑油を添加したり、機械部品の材料の選定の最適化を図ったりする場合があるが、これらの場合にはコストが上昇するという問題が生じる。
一方で、空気圧等の動作エネルギーを利用して弾性体を動作させ、この弾性体により回転運動に変換させるようにしたものを使用することがある。この場合、機械部品をほとんど用いることがないため、上記の問題が起こりにくくなっている。【０００４】
このような、弾性体を利用したアクチュエータとして、例えば、特許文献１のトルクアクチュエータが知られている。このトルクアクチュエータは、流体圧を軸方向の回転力に変換する弾性体を有し、この弾性体の膨径変形を利用して回転トルクを発生させるようにしたものである。一方、特許文献２は、弾性体を変形させることにより正転逆転の回転トルクを発生させるようにしたトルクアクチュエータである。同文献１、２のトルクアクチュエータは、いわゆる、ねじり回転動作になっており、同一軸体である出力軸の一端側を固定したときに他端側が回転するようになっている。【０００５】
特許文献３の流体作動式回転駆動装置は、二つのヘッドピースとこのヘッドピース間に延在するホース本体とを有している。この回転駆動装置は、流体がホース本体の内部空間に作用するときに、互いのヘッドピースの軸方向の相対的運動を妨げつつ、この二つのヘッドピースの相対的回転運動を許容することで駆動力を得るようにしたものである。同文献３の回転駆動装置も、いわゆるねじり回転動作によるアクチュエータである。しかし、このアクチュエータは、同一軸体である出力軸の両端側が互いに逆の方向に回転するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平５−７８６８７号公報
【特許文献２】特公平５−５６３号公報
【特許文献３】特開２００１−１２４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３のアクチュエータにおいては、ねじれを発生させるために弾性体の内部に軸方向に傾きを有する線状材が設けられ、図２５に示すように、エアの流入により弾性体のねじれる回転角が大きくなるときに弾性体のねじれ量に比例して回転軸が回転する構造になっている。このように、これらのアクチュエータは、弾性体のねじれ変形をそのまま出力軸に伝達する構造である。この場合、線状材の張力によって生じる回転トルクは、回転軸の回転角が大きくなるにつれて弾性体のねじれ抵抗が増加することで減少するため、回転軸の回転トルクを一定に保つことができない。【０００８】
そのため、これらのアクチュエータは、その回転角が一定限度内の範囲になるように回転動作が限定される補助機構として用いられることが多く、一定の回転トルクや高精度の回転制御・比例制御が要求されるバルブ用のアクチュエータとして使用することは難しくなっている。【０００９】
本発明は、上記した実情に鑑み、鋭意検討の結果開発に至ったものであり、その目的とするところは、高トルク性を一定に保持しつつ高精度に回転制御でき、特に、各種バルブの回転制御用として好適な回転アクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、軸方向にねじれ角を有する回転構造体を駆動エネルギー源を介して回動可能に設け、この回動構造体を軸方向に拘束した状態で配設して構造体の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体に伝達した回転アクチュエータである。【００１１】
請求項２に係る発明は、回転構造体と出力軸体との間に動力伝達機構を設け、この動力伝達機構は、回転構造体が発生した応力により一方向に回転するときに出力軸体に回転を伝達し、回転構造体が逆方向に回転して元の状態に戻るときに出力軸体への回転伝達を停止する機構である回転アクチュエータである。【００１２】
請求項３に係る発明は、回転構造体は、円筒状の弾性体と、この弾性体の軸方向にねじれ角を有する複数の線材とを有し、弾性体の内側から圧力を加えたときに線材により軸方向のねじれ回転を生じる構造体である回転アクチュエータである。【００１３】
請求項４に係る発明は、回転構造体の内側に密閉空間となる流体供給排出領域を設け、この流体供給排出領域内に駆動エネルギーとして適宜の流体の供給と排出とを繰り返し行って回転構造体の回転を出力軸体に伝達した回転アクチュエータである。【００１４】
請求項５に係る発明は、流体供給排出領域に所定圧の流体をパルス状に印加する流体供給排出手段を駆動エネルギー源として接続した回転アクチュエータである。【００１５】
請求項６に係る発明は、回転構造体は、軸方向にねじれ角を有し、電圧の印加時に長さの縮む形状記憶合金製の複数の金属線材を適宜数含んだ略円筒状の構造体である回転アクチュエータである。【００１６】
請求項７に係る発明は、回転構造体に駆動エネルギー源として電圧印加手段を設け、この電圧印加手段により繰り返し電圧を印加して回転構造体の回転を出力軸体に繰り返し伝達した回転アクチュエータである。【００１７】
請求項８に係る発明は、電圧印加手段は、電圧をパルス状に印加する機能を有する印加手段である回転アクチュエータである。【００１８】
請求項９に係る発明は、動力伝達機構は、出力軸体の外周側に設けられる円筒部と、この円筒部の外周側に軸方向に移動可能に装着され、内外周側に伝達面を有する伝達部材と、この伝達部材の外周側に配設される筒状のケーシングとを同軸に有し、回転構造体の両端側を伝達部材で保持しつつ、駆動エネルギー源を一側部から供給したときに、伝達部材が、回転構造体の一側部でケーシングとかみ合いつつ円筒部とのかみ合いが外れ、他側部でケーシングとのかみ合いが外れつつ円筒部とかみ合って回転構造体の一側部をケーシングに保持しながら回転構造体にねじれ回転を加えて他側部を回転させ、この回転トルクを円筒部を介して出力軸体に伝達する機構である回転アクチュエータである。【００１９】
請求項１０に係る発明は、回転構造体の両端側外周面に熱収縮性チューブを熱収縮により固着し、この熱収縮性チューブを固着した回転構造体の両端部を、伝達部材を成す内側伝達部材と外側伝達部材との螺着により固定保持した回転アクチュエータである。【００２０】
請求項１１に係る発明は、内側伝達部材の外周面に少なくとも１つの竹の子部を形成し、この竹の子部を回転構造体両端部の内周面に食い込ませた回転アクチュエータである。【００２１】
請求項１２に係る発明は、出力軸体に回転弁や昇降動弁等のバルブを接続した回転アクチュエータである。
【発明の効果】
【００２２】
請求項１に係る発明によると、回転構造体のねじれ回転により発生する応力を回転力に変換して出力軸体に伝達しているので、出力軸体の回転トルクを略一定に確保できる。しかも、出力軸体が一度に回転するときの回転角を小さくすることで高精度の分解能を発揮できる。さらに、回転構造体の小さい回転角による回転を出力軸体に連続的に伝達できるため円滑な回転制御が可能になり、各種バルブの回転制御用として利用することができる。これらの場合、拘束状態を交互に切り換えて回転方向を変化させることができる。また、例えば、電動アクチュエータの場合のように、ステッピングモータや専用の制御回路などを必要としないため、構造が複雑化することがなく全体のコンパクト化を図ることもできる。【００２３】
請求項２に係る発明によると、駆動エネルギー源から駆動エネルギーを供給又は供給停止したときに駆動エネルギーの供給ごとに出力軸体を回転させることができる。このため、この回転構造体に繰り返し駆動エネルギーを供給することで、出力軸体を連続的に回転させることができる。これにより、出力軸体を安定したトルク特性により回転制御できる。更に、この動力伝達機構を出力軸体の相反する回転側に設けるようにすれば、出力軸を異なる回転方向に回転制御できる。【００２４】
請求項３又は４に係る発明によると、回転構造体の内側に所定圧の流体を繰り返し供給又は排出することで出力軸体を少しずつ連続的に回転させることができ、この出力軸体を、一定のトルク性を確保しながら所定角度まで回転制御させることができる。しかも、流体としてエアを用いた場合には、弾性体の内側への供給と排出とを迅速かつスムーズにできるため、出力軸体をより滑らかに回転制御できる。【００２５】
請求項５に係る発明によると、流体供給排出領域に所定圧のパルスエアを繰り返し印加することで出力軸体を極僅かずつ回転させ、略一定の回転トルクを発揮させながら出力軸体を回転制御することで安定したトルク特性を発揮できる。【００２６】
請求項６又は７に係る発明によると、回転構造体に電圧を繰り返し印加又は印加停止するだけで出力軸体を少しずつ連続的に回転させることができ、この出力軸体を一定のトルク性を確保しながら所定角度まで回転制御することができる。しかも、電圧印加手段を小型化して設備全体のコンパクト化を図ることもできる。【００２７】
請求項８に係る発明によると、電圧印加手段により電圧をパルス状に繰り返し印加することで出力軸体を極僅かずつ回転させ、略一定の回転トルクを発揮させながら出力軸体を回転制御することで安定したトルク特性を発揮できる。【００２８】
請求項９に係る発明によると、動力伝達機構における伝達部材と、ケーシング・円筒部とのかみ合いの組み合わせにより、回転構造体に発生した応力を確実に出力軸に伝達又は伝達を回避することができ、出力軸体の誤動作を防ぎつつ高精度の回転制御を実施することができる。この場合、円筒部にスプール的動作を発揮させながら、ねじれ回転の方向を適宜切り換える機能を有している。【００２９】
請求項１０に係る発明によると、回転構造体を伝達部材に対して強固に固着することができ、回転構造体が緩んだり脱落したり急激に消耗することを防いで、優れた封止性能を発揮して回転アクチュエータとして高精度の分解能を維持できる。【００３０】
請求項１１に係る発明によると、回転構造体を抜け方向の抵抗を増加させて抜けや緩みを確実に防止しながら動作させることができる。【００３１】
請求項１２に係る発明によると、複雑な機構を必要とすることなく単純な構成により設けることができ、コンパクト性を発揮しながら各種バルブに接続してこのバルブを高精度に回転制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明における回転アクチュエータの第１実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１の回転アクチュエータにエアを供給した状態を示す縦断面図である。
【図３】図２の回転アクチュエータに更にエアを供給した状態を示す縦断面図である。
【図４】図３の回転アクチュエータに更にエアを供給した状態を示す縦断面図である。
【図５】図４の回転アクチュエータからエアの排出を開始した状態を示す縦断面図である。
【図６】図５の回転アクチュエータからエアの排出を完了した状態を示す縦断面図である。
【図７】回転アクチュエータと流体供給排出手段とを示した回路図である。
【図８】エアの供給・排出と出力軸体の回転方向との関係を示す説明図である。
【図９】エアの供給圧力と出力軸体の回転角度との関係の一例を示す説明図である。
【図１０】エアの供給圧力と出力軸体の回転角度との関係の他例を示す説明図である。
【図１１】図１の回転アクチュエータの回転構造体にかかる力を示したベクトル図である。
【図１２】本発明における回転アクチュエータの第２実施形態を示す縦断面図である。
【図１３】図１２の回転アクチュエータにエアを供給した状態を示す縦断面図である。
【図１４】図１３の回転アクチュエータにエアを供給した状態を示す縦断面図である。
【図１５】図１４の回転アクチュエータにエアを供給した状態を示す縦断面図である。
【図１６】図１５の回転アクチュエータからエアの排出を開始した状態を示す縦断面図である。
【図１７】図１６の回転アクチュエータからエアの排出を完了した状態を示す縦断面図である。
【図１８】第２実施形態における回転アクチュエータの分解斜視図である。
【図１９】本発明における回転アクチュエータの第３実施形態を示す縦断面図である。
【図２０】図１９の回転アクチュエータの一方側のスイッチ部材に電圧を印加した状態を示す縦断面図である。
【図２１】図１９の回転アクチュエータの他方側のスイッチ部材に電圧を印加した状態を示す縦断面図である。
【図２２】図１９の回転アクチュエータの回転構造体にかかる力を示したベクトル図である。
【図２３】本発明における回転アクチュエータの第４実施形態を示す縦断面図である。
【図２４】図２３の一部拡大断面図である。
【図２５】エアの供給圧力と出力軸体の回転角度との関係の比較例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に、本発明における回転アクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。図１ないし図６においては、本発明の回転アクチュエータの第１実施形態を示したものであり、回転アクチュエータとして流体圧式回転アクチュエータとした例を示している。図７は、図１の回転アクチュエータに流体供給排出手段を接続した回路図を示している。この実施形態では、流体圧としてエアを使用している。
【００３４】
図１において、回転アクチュエータ本体（以下、アクチュエータ本体という）１は、回転構造体２と、出力軸体３と、動力伝達機構４とを有している。回転構造体２は、軸方向に図１１に示すねじれ角θを有し、内側に密封空間となる流体供給排出領域５を有している。流体供給排出領域５には図７に示した流体供給排出手段６が駆動エネルギー源として接続され、回転構造体２は、この駆動エネルギー源６を介して回動可能に設けられている。
【００３５】
回転構造体２は、円筒状の弾性体７と、この弾性体７の内部に配設される複数の線材８とを有している。弾性体７は、例えば、クロロピレンゴム等のゴム材料からなり、内側にパルスエア等のエアを供給・排出したときに円周方向に膨張・収縮変形する。線材８は、例えば、アラミド繊維等の強化繊維からなり、弾性体７内に螺旋状にねじれ角θを有するように埋め込まれている。回転構造体２は、弾性体７に内圧が加わらない状態では、弾性体７の復元力により円筒状の形状、又は、図１に示すような中央部付近が収縮した形状に維持されている。
【００３６】
この弾性体７の内側から圧力を加えたときには、弾性体７は、図３、図４に示すように中央部付近を中心として膨張しながら、線材８の張力により軸方向のねじれ回転が生じる。更に、この状態から弾性体７への圧力を除去すると、図１の状態まで弾性体７が収縮し、線材８の作用により弾性体７が元の状態まで戻るようになっている。
【００３７】
このように、回転構造体２は、流体供給排出領域５に駆動エネルギーである流体が供給・排出されたときに膨張・収縮して軸方向にねじれるように変形する。これにより、回転構造体２が回転し、この回転を出力軸体３に繰り返し伝達することが可能になっている。回転構造体２により生じるトルクは、弾性体７の内径、軸方向の長さ、弾性体７の内部に加わる圧力に影響されるため、それぞれの値を適宜設定する必要がある。
【００３８】
図１１において、線材８のねじれ角θは、弾性体７の膨張・収縮変形時の回転動作角度αを考慮した上で適宜設定される。空気圧を印加（エアを供給）するときに、上部側が開放され下部側が拘束されている場合には、回転構造体２には、弾性体７が膨張することにより線材８が外側に引張られて回転軸心Ｌを中心とした回転トルクＴが発生し、回転構造体２の上部側が回転する。その際、回転構造体２は、１つの線材８の上端側の点Ｐが点Ｐ´まで移動するように回転動作角度αにより上部側が回転する。このときの線材８の下端側の固定点をＱ、線材に対して力の加わる中心点をＲとすると、線分ＰＱ＝線分Ｐ´ＲＱとなり、線材８の長さは一定になる。一方、空気圧の印加を除去（エアを排出）した際には、回転構造体２には弾性体７の弾性力によりねじれ回転の戻り力（いわゆる、バイアス力）が働き、このバイアス力により開放側である回転構造体２の上部側が回転して元の形状まで戻る。又、固定点をＰとした場合には、回転トルクＴは、上記と反対（逆）方向に作用することになる。
【００３９】
線材８は、回転構造体２の両端部に応力を発生することができれば、螺旋状以外の構造に配列されていたり、或は、弾性体７の外周側に巻装されたり、網状に設けられていてもよい。一方、弾性体７は樹脂等であってもよく、回転構造体２は一体物により形成されていてもよい。
【００４０】
上記したように、回転構造体２は、軸方向に一端側が拘束された状態で配設され、この回転構造体２の両端部に発生した応力が回転力に変換されて出力軸体３に伝達される。
出力軸体３は、略筒状に形成され、回転構造体２の内周側にこの回転構造体２と同軸に配設されて、回転構造体２に対して回転可能になっている。本実施形態では、出力軸体３は、拡径状の円筒部９と一体に形成され、出力軸体３と円筒部９とが一体回転するようになっている。出力軸体３（円筒部９）には、その両端面１０、１１側に流体供給排出口１２、１３、略中央付近に流体供給排出口１４とが形成され、これらは連通孔１５により連通している。両端面の流体供給排出口１２、１３は、後述するシール部材１６よりも端面の内径側に形成されている。
【００４１】
動力伝達機構４は、回転構造体２と出力軸体３との間に設けられ、上記円筒部９と、伝達部材２０と、筒状のケーシング２１とを同軸に有している。このうち、円筒部９の外周の両側付近には出力軸体３の端部側から中央側に向けて拡径するテーパ面２２、２３が周面形成され、また、シール用Ｏリング２４が装着されている。更に、円筒部９の両端面側には、上記したシール部材であるＯリング１６、１６が装着されている。
【００４２】
伝達部材２０は、円筒部９の上下部側に配設され、Ｏリング２４を介して円筒部９に対して軸方向に移動可能になっている。各伝達部材２０、２０は、内側伝達部材２５と外側伝達部材２６とからなっている。内側伝達部材２５の内周側には内周伝達面２７、外側伝達部材２６の外周側には外周伝達面２８が形成されている。内周伝達面２７は、上記した円筒部のテーパ面２２、２３にかみ合い可能なテーパに形成されている。外周伝達面２８は、ケーシング２１の端部側から中央側に向けて縮径するテーパ面２９、３０にかみ合い可能なテーパに形成されている。内周伝達面２７（テーパ面２２、２３）、外周伝達面２８（テーパ面２９、３０）の図示しないテーパ角度は、伝達部材２０が作動可能な適宜の角度に設けられる。
【００４３】
内側伝達部材２５の外周側と外側伝達部材２６の内周側には、互いに螺合可能なおねじ３１とめねじ３２とが形成されている。内側伝達部材２５と外側伝達部材２６とは、その間に回転構造体２の両端部位がシール状態に挟まれた状態で螺着される。この回転構造体２は、Ｏリング２４を介して出力軸体３の外周側に装着される。そのため、この回転構造体２の内側の出力軸体３との間には、密封空間である流体供給排出領域５が形成される。
【００４４】
ケーシング２１は、伝達部材２０の外周側に配設されてこの伝達部材２０と円筒部９とを内部に収納している。ケーシング２１の開口側の内周には、外周伝達面２８とかみ合い可能な前記テーパ面２９、３０が形成されている。ケーシング２１の両端開口部位には、この開口部位を被蓋可能な第１キャップ部材３３と第２キャップ部材３４とがそれぞれ固着されている。
【００４５】
第１キャップ部材３３、第２キャップ部材３４には、それぞれガイド穴３５が形成されている。ガイド穴３５は、出力軸体３を回転かつ軸方向に摺動可能な穴径に設けられている。ガイド穴３５の内周面にはＯリング３６が装着され、このＯリング３６により出力軸体３の外周面がシールされる。第１キャップ部材３３、第２キャップ部材３４における円筒部９の装着位置には、円筒部９が移動可能な空隙部３７と、この空隙部３７に続けて円筒部９の端面１０、１１が当接可能な当接面３８が形成されている。更に、第１キャップ部材３３、第２キャップ部材３４には、空隙部３７にエアを供給・排出可能な第１空気口３９、第２空気口４０がそれぞれ外部と連通して形成されている。本実施形態では、前述した回転構造体２は、第１空気口３９からエアが供給されたときに時計回転（右回転）方向にねじれ回転を生じ、第２空気口４０からエアが供給されたときに反時計回転（左回転）方向にねじれ回転を生じるように設けられている。
図示しないが、第１キャップ部材３３、第２キャップ部材３４、及び、ケーシングに、フランジ部を設けるようにしてもよい。この場合、第１キャップ部材３３、第２キャップ部材３４をフランジ部を介してボルト等によりケーシングに取付けできる。
【００４６】
前記構成により、動力伝達機構４は、流体供給排出手段６から空気口３９、４０を介して一側部からアクチュエータ本体１内に駆動エネルギー源であるエアが供給されたときに、出力軸体の円筒部９の一側のエア供給室に露出している半径方向端面部位がエア圧力の作用により軸方向に移動する。このとき、一側部ではテーパ面２２と内周伝達面２７とのかみ合いが外れ、他側部ではテーパ面２３と内周伝達面２７とがかみ合いつつ、伝達部材２０、２０が軸方向に移動して、回転構造体２の一側部では伝達部材２０の外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面２９とがかみ合い、他側部では、外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面３０とのかみ合いが外れる。これにより、回転構造体２の一側部がケーシング２１の回転方向に保持され、この状態で第１空気口３９よりエアが供給されたときに、回転構造体２に反時計方向にねじれ回転が生じる。このねじれ回転により、他側部が回転したときの回転トルクが円筒部９を介して出力軸体３に伝達される機構である。
【００４７】
この動力伝達機構４により、出力軸体３は、回転構造体２の膨張時にこの回転構造体２のねじれ回転に伴って回転し、回転構造体２の収縮時に回転を停止する。すなわち、動力伝達機構４は、回転構造体２が発生した応力により一方向に回転するときには出力軸体３に回転を伝達し、回転構造体２が逆方向に回転して元の状態に戻るときに出力軸体３の回転伝達を停止する機構となっている。更に、流体供給排出領域５に続けてエアが繰り返し供給・排出されたときには、その供給・排出ごとに出力軸体３が回転又は回転停止しながら、バルブ５５の図示しない出力軸を所定角度まで回転する。
【００４８】
本実施形態においては、伝達部材２０、２０は、動力伝達機構４の上下側に一対設けられる。この伝達機構２０、２０は、上部側の第１空気口３９、下部側の第２空気口４０よりエアが供給・排出されたときに、回転構造体２の異なる側部をケーシング２１に保持することが可能になる。したがって、エアの供給・排出を、第１空気口３９、第２空気口４０で交互に切り換えることによって、出力軸体３の回転方向を正転・逆転させることができる。
【００４９】
また、上下の伝達部材２０、２０の間にはスペーサ部材４１が介在されている。スペーサ部材４１は、上下の端面４１ａ、４１ａが内側伝達部材２５、２５に対してスラスト回転可能な状態で円筒部９（出力軸体３）の外周側に嵌着されている。このスペーサ部材４１により、上下の伝達部材２０、２０の近接方向への移動が規制され、流体供給排出領域５にエアが供給されたときに回転構造体２が軸方向に過度に縮むことが防がれる。そのため、回転構造体２のねじれ回転によるトルクが確保される。スペーサ部材４１の略中央付近には、出力軸体３の流体供給排出口１４と対応する位置に連通穴４２が設けられている。この連通穴４２を介して流体供給排出領域５にエアを供給・排出可能になっている。
【００５０】
図７において、流体供給排出手段６は、第１流体流路４５と第２流体流路４６とを有している。この第１流体流路４５、第２流体流路４６は、それぞれ第１空気口３９、第２空気口４０に接続されている。流体供給排出手段６は、流体供給排出領域５に所定圧力の流体を駆動エネルギー源としてパルス状に印加し、回転構造体２を膨張・収縮変形させる手段になっている。流体供給排出手段６は、コンプレッサー４７、電磁切換弁４８、パルス発生器４９、フィルター５０、レギュレーター５１を有している。
【００５１】
コンプレッサー４７は、圧縮エアの供給源であり、フィルター５０とレギュレーター５１とを介して電磁切換弁４８に接続される。フィルター５０は、コンプレッサー４７からの圧縮エアの塵埃やゴミ等を除去するために設けられる。レギュレーター５１は、コンプレッサー４７からの圧縮エアを電磁切換弁４８に供給するために設けられる。
【００５２】
電磁切換弁４８は、コンプレッサー４７からのエアをアクチュエータ本体１の第１空気口３９、第２空気口４０に送るために設けられ、例えば、５方口電磁切換弁からなる。コンプレッサー４７からのエアは、電磁切換弁４８内の図示しない第１空気用制御ソレノイド、第２空気用制御ソレノイドにより流路が切換えられてアクチュエータ本体１に適宜送られる。
【００５３】
パルス発生器４９は、内部に図示しないパルス幅調整機構を有している。パルス幅調整機構は、所定幅のパルス信号を発生可能になっている。パルス発生器４９は、第１空気口用パルス出力部５２、第２空気口用パルス出力部５３を有している。パルス発生器４９は、第１空気口用パルス出力部５２、第２空気口用パルス出力部５３を介して、第１空気口用制御ソレノイド、第２空気口用制御ソレノイドに可変パルス電源を供給してこれらを制御可能になっている。この制御により、電磁切換弁４８の流路からアクチュエータ本体１にパルスエアが供給される。パルス発生器４９は、任意の間隔でパルス信号を発生することが可能である。これにより、電磁切換弁４８からのパルスエアの間隔を制御し、後述するように出力軸体３の回転角度を任意に制御できる。
【００５４】
流体供給排出手段６において、コンプレッサー４７からの圧縮エアは、フィルター５０、レギュレーター５１を介して電磁切換弁４８に送られる。このとき、電磁切換弁４８の流路がパルス発生器により切換えられる。そして、アクチュエータ本体１に所定圧力のパルスエアが所定間隔で繰り返し供給・排出される。これにより、回転構造体２が膨張・収縮動作される。前述したコンプレッサー４７、電磁切換弁４８、パルス発生器４９、フィルター５０、レギュレーター５１は、通常用いられるものが利用可能である。
【００５５】
また、図１、図７に示すように、出力軸体３には、任意のバルブ５５を接続することが可能である。バルブ５５としては、例えば、ボールバルブやバタフライバルブ等の回転弁、ゲートバルブやグローブバルブ等の昇降動弁等がある。バルブ５５内の図示しないバルブ弁体は、流体供給排出手段６のパルスエアの供給・排出の調節で開閉制御され、或は任意の中間開度に比例制御される。
【００５６】
続いて、上述した回転アクチュエータの動作を図１〜図６を用いて詳しく説明する。
図１においては、パルスエアの供給開始前のアクチュエータ本体１の状態を示している。エア供給前においては、円筒部９のシール部材１６が第１キャップ部材３３、第２キャップ部材３４の各当接面３８、３８に密接シールする。出力軸体３は、回転停止状態に維持され、流体供給排出領域５からエアが排出されて回転構造体２が収縮した状態になっている。上下の伝達部材２０、２０の内周伝達面２７、外周伝達面２８は、円筒部９のテーパ面２２、２３とケーシング２１のテーパ面２９、３０とに対してかみ合いが外れた状態になっている。そのため、伝達部材２０、２０は、円筒部９、ケーシング２１に対してフリーの状態になっている。
【００５７】
電磁切換弁４８を切換えて、流体供給排出手段６から第１空気口３９を介して所定圧力のパルスエアが供給されると、このエアは、第１キャップ部材３３の空隙部３７に達し、円筒部９には図における下方向に押圧する力が加わる。この力により、下側のシール部材１６が端面１１との間に押し潰されながら円筒部９（出力軸体３）が下方に往動する。このとき、円筒部９が下方側の伝達部材２０を下方側に押圧する。この押圧により、回転構造体２を介して一体化している上方側の伝達部材２０も下方側に移動する。そして、円筒部９の摺動により、回転構造体２の一側部、図２における上部側では伝達部材２０の外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面２９とがかみ合いつつ、内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２２とのかみ合いが外れる。回転構造体２の他側部、図２における下部側では外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面３０とのかみ合いが外れつつ、内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２３とがかみ合った状態になる。
【００５８】
この状態から更に第１空気口３９よりエアが供給されると、図３に示すように、出力軸体３の流体供給排出口１２よりエアが流れ込む。このエアは、連通孔１５を介して中央の流体供給排出口１４から、スペーサ部材４１の連通穴４２を介して回転軸体内側の流体供給排出領域５に供給される。このとき、下側のシール部材１６により端面１１と当接面３８とがシールされているため、第２空気口４０からエアが漏れることが防がれる。流体供給排出領域５にエアが供給されると、回転構造体２が膨張変形して線材８により軸方向において右回転のねじれ回転を発生する。このとき、スペーサ部材４１により、回転構造体２がねじれに伴って縮むことが防止されている。
【００５９】
その際、上記のように、伝達部材２０の一側部で外周伝達面２８とケーシングのテーパ面２９、他側部で内周伝達面２７と円筒部のテーパ面２３とがかみ合った状態にある。そのため、回転構造体２は、一側部ではケーシング２１に対して回転不能に保持され、他側部では出力軸体３と一体に回転可能になる。このことから、回転構造体２に加わったねじれ回転は他側部の伝達部材２０を介して出力軸体３に伝達され、出力軸体３が回転構造体２のねじれ回転に伴って、上方側から見て右方向に回転動作する。
図４においては、回転構造体２が最大に膨張した状態を示している。流体供給排出手段６からのパルスエアは、図の状態になるまで連続的に供給される。続いて、この状態から流体供給排出領域５のエアが流体供給排出口１４、連通孔１５、流体供給排出口１２を介して第１空気口３９より排出される。
【００６０】
図５に示すように、流体供給排出領域５からエアが排出されると、回転構造体２が弾性体７の復元力によって収縮伸張変形して左方向のねじれ回転を発生する。このとき、空隙部３７のエアも排出されて、出力軸体３が図において上方に復動するとともにテーパ面２３でのスラスト方向の推力がなくなるため、下方側の伝達部材２０への出力軸体３の押圧が解除される。そして、伝達部材２０の外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面２９とのかみ合い、伝達部材２０の内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２３とのかみ合いが外れる。
【００６１】
このような動力伝達機構４の解除により、図５から図６のエア抜けの完了状態までには、出力軸体３の回転が防がれて回転停止状態が維持される。そのため、出力軸体３に接続されたバルブ５５のバルブ弁体の開度が維持される。続いて、空隙部３７からエアが排出されることで、出力軸体３は図６に示すようにシール部材１６が当接面３８に密接シールするまで復動する。
【００６２】
このアクチュエータ本体１の動作は、パルスエアを１回供給・排出したときの出力軸体３の回転である。このパルスエアを所定間隔で繰り返し供給・排出することで、その供給ごとに出力軸体３を回転させ、又、排出ごとに出力軸体３を回転停止した状態を維持できる。これにより、出力軸体３をインチング回転により所定角度まで回転動作させ、バルブ５５の弁開度を制御することが可能になる。更に、図９や図１０に示すように、流体供給排出手段６からのパルスエアの供給・排出時間のパルス印加幅を制御すれば、１回の印加幅に相当する時間の分だけ出力軸体３を回転させて１パルス幅で回転する回転角を調節できる。このため、図１０において、パルスエアの供給・排出時間を短く設定して出力軸体３を細かく回転制御でき、バルブ５５を微小角度に調整して高精度に制御することが可能になる。このパルスエアの制御は、パルス発生器４９のパルス幅調整機構を調整することで可能となり、このパルスエアの制御によりバルブ５５を比例制御することも容易となる。
【００６３】
一方、出力軸体３を上記と逆回転方向に回転させる場合には、電磁切換弁４８を切換えて、流体供給排出手段６から第２空気口４０を介して所定圧力のパルスエアを供給する。この場合、図示しないが、円筒部９には上方向に押圧する力が加わるためにこの円筒部９は上方に往動する。この往動により、回転構造体２の下部側で伝達部材２０の外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面３０とがかみ合いつつ内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２３とのかみ合いが外れる。上部側では、外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面２９とのかみ合いが外れつつ、内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２２とがかみ合った状態になる。
【００６４】
そして、流体供給排出領域５内にエアが供給されると、回転構造体２には軸方向に対して左回転のねじれ回転が発生することで出力軸体３が左回転する。また、流体供給排出領域５からエアが排出された場合には、出力軸体３の回転停止の状態が維持される。このように、第２空気口４０からパルスエアを供給・排出した場合には、第１空気口３９からパルスエアを供給・排出した場合と逆回転の出力軸体３の動作が前記と同様におこなわれる。
従って、電磁切換弁４８により第１空気口３９と第２空気口４０への供給・排出を切換えることで出力軸体３を左右の回転方向に回転制御でき、バルブ５５を所定開度に調節できる。
【００６５】
図８においては、エアの供給・排出と出力軸体３の回転方向との関係を示している。前述したように、第１空気口３９よりエアを供給・排出したときには、出力軸体３が時計回り方向（Ｃ．Ｗ方向）に回転する。第２空気口４０よりエアを供給・排出したときには、出力軸体３が反時計回り方向（Ｃ．Ｃ．Ｗ方向）に回転する。この第１空気口３９、第２空気口４０からの供給・排出と出力軸体３の回転方向とは逆の関係であってもよく、実施に応じて任意に変更可能である。
【００６６】
本発明の回転アクチュエータは、前述したように、軸方向にねじれ角θを有する回転構造体２を駆動エネルギー源６を介して回動可能に設け、回動構造体２を軸方向に拘束した状態で配設してこの回転構造体２の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体３に伝達しているので、回転構造体２のねじれ抵抗を最小限に抑えつつ出力軸体３に回転を伝達することができる。
【００６７】
しかも、動力伝達機構４により、回転構造体２が応力により一方向に回転したときにこの回転を出力軸体３に伝達し、回転構造体２が逆方向に回転して元の状態に戻るときにこの回転を出力軸体３に伝達しない構造であるので、回転構造体２を繰り返し回転動作させてこの回転を出力軸体３に伝達して回転させることができる。これにより、図９や図１０に示すように、出力軸体３の回転トルクを常に略一定に保つことができる。そして、一定の回転トルクや高精度の回転制御が要求される各種のバルブ５５に利用可能である。
【００６８】
図１２ないし図１８においては、本発明の回転アクチュエータの第２実施形態を示している。なお、この実施形態以降において、それ以前の実施形態と同一部分は同一符号によって表し、その説明を省略する。
この実施形態におけるアクチュエータ本体６０は、図１８の分解斜視図に示すように、出力軸体６１と円筒部６２とが別体に設けられている。円筒部６２は、出力軸体６１に対して回転可能に設けられている。円筒部６２は、出力軸体６１の上下側に別体に設けられ、各円筒部６２、６２と出力軸体６１との間にワンウェイクラッチ６３、６３が装着されている。この構造により、円筒部６２は、出力軸体６１に対して軸方向に摺動可能であり、かつ、出力軸体６１に対して個別に相対回転可能になっている。
【００６９】
更に、円筒部６２、６２の間にはスペーサ部材６４が介在されている。スペーサ部材６４は、上下の端面６４ａ、６４ａが円筒部６２（ワンウェイクラッチ６３）にスラスト回転可能な状態で出力軸体６１に遊嵌されている。このスペーサ部材６４により、上下の円筒部６２、６２が近接方向に移動することが規制される。スペーサ部材６４の略中央付近には、流体供給排出用の連通穴６５が設けられている。この連通穴６５を介してエアを供給・排出することが可能になっている。
【００７０】
出力軸体６１の端面側には流体供給排出口６６、６６が形成されている。流体供給排出口６６は、連通孔６７により出力軸体の内周側に連通している。これにより、図１３〜図１５に示すように、エアが流体供給排出口６６より供給・排出されたときに、このエアはワンウェイクラッチ６３の内周側を通り、スペーサ部材６４の連通穴６５を介してスペーサ部材６４に形成された連通穴４２から流体供給排出領域５に供給・排出可能になっている。
【００７１】
アクチュエータ本体６０では、流体供給排出領域５にエアが供給（図１３〜図１５）・排出（図１６、図１７）されたときに、伝達部材２０から円筒部６２によりワンウェイクラッチ６３を介して出力軸体６１に回転伝達が可能である。このため、伝達部材２０に対して円筒部６２が回転することがない。回転構造体２がねじれ回転するときには、この回転構造体２のねじれる側ではワンウェイクラッチ６３が出力軸体６１を伝達部材２０に対して相対回転不能に保持する。そのため、確実にねじれ回転を伝達部材２０から出力軸体３に伝達できる。一方、回転構造体２を回転不能に固定する側では、ワンウェイクラッチ６３と出力軸体３とが相対回転可能な関係になるようにワンウェイクラッチ６３が取付けられている。このため、回転構造体２がねじれ回転を生じたときに、出力軸体３がスムーズに回転するようになっている。
なお、上述した第１実施形態及び第２実施形態において、流体としてエアを用いた例を説明したが、この流体はエアに限られることはない。このエアは、例えば、油や水等の他の種類の流体であってもよい。
【００７２】
図１９ないし図２２においては、本発明の回転アクチュエータの第３実施形態を示している。この実施形態のアクチュエータ本体７１は、図２２の回転構造体７２を有している。回転構造体７２は、形状記憶合金製の複数の金属線材７３を適宜数含んでいる。金属線材７３は、軸方向にねじれ角θを有した状態で略円筒状に配列され、電圧の印加時に長さ方向に縮む特性を有している。
【００７３】
図１９において、回転構造体７２の内周側には出力軸体８２が設けられている。回転構造体７２と出力軸体８２との間のスペーサ部材４１の内側には、コイルスプリング７４が設けられている。コイルスプリング７４は、上下端側が伝達部材２０における内側伝達部材２５、２５にそれぞれ固定されている。これにより、上下の内側伝達部材２５、２５が相対回転したときにコイルスプリング７４がねじられて、このコイルスプリング７４により伝達部材２０に元の状態に戻ろうとする力が働く。更に、コイルスプリング７４は、上下の伝達部材２０、２０を所定の間隔に維持する機能も有している。
【００７４】
回転構造体７２に電圧を加えた場合には、金属線材７３が縮むことでねじれ角θにより回転構造体７２に軸方向のねじれ回転が生じる。このときの回転構造体７２の動作を詳述する。図２２において、電圧を印加するときに、回転構造体７２の上部側が開放され、下部側が拘束されている場合に、回転構造体７２には回転軸心Ｌ１を中心として回転トルクＴ１が発生し、回転構造体７２の上部側が回転する。この場合、１つの金属線材７３における上端側の点Ｐ１は、点Ｐ１´まで移動するように回転する。この金属線材の下端側の固定点をＱ１とすると、金属線材７３が伸縮することで、線分Ｐ１Ｑ１＞線分Ｐ１´Ｑ１の関係になる。
【００７５】
一方、電圧印加を停止すると、金属線材７３が初期の長さに復帰しながら回転構造体７２にはコイルスプリング７４のねじれ回転の戻り力（バイアス力）が働く。このバイアス力により開放側である回転構造体７２上部側が回転して元の状態まで戻る。
【００７６】
図１９において、アクチュエータ本体７１には駆動エネルギー源として、電圧印加手段７５が回転構造体７２に設けられている。電圧印加手段７５は、電源７６、開閉器７７、回路部７８、電圧印加部７９、スイッチ部材８０を有している。図１９ないし図２１に示すように、電源７６、開閉器７７は、回路部７８により接続される。回路部７８には、電圧印加部７９とスイッチ部材８０とが並列に接続される。
【００７７】
開閉器７７は、オン操作したときに電圧印加部７９を介して金属線材７３に電圧を印加できるようにオンオフ可能に設けられる。この開閉器７７は、オン操作時にスイッチ部材８０、８０に設けられたスイッチ部８１、８１のうち、何れか一方側のスイッチ部８１を動作可能に切換できる構造である。電圧印加部７９は、回転構造体７２の上下部位に接続され、金属線材７３に電圧を印加可能になっている。スイッチ部材８０は、例えば、内部にソレノイド構造を有し、開閉器７７のオン操作によりこのソレノイド部分が吸着励磁することによりスイッチ部８１がプル動作する。
【００７８】
アクチュエータ本体７１は、上述した構成により、電圧印加手段７５により電圧を印加して回転構造体７２を回転させ、この電圧の印加を繰り返すことで、回転構造体７２の回転を出力軸体８２に繰り返し伝達可能になっている。
この場合、電圧印加手段７５は、回転構造体７２と各スイッチ部材８０、８０とに電圧をパルス状に印加する機能を有している。このパルス状電圧により、回転構造体７２と各スイッチ部材８０、８０とは、動作と動作停止とを所定間隔で繰り返すことが可能である。
【００７９】
次いで、アクチュエータ本体７１の動作を述べる。図１９においては、開閉器７７がオフの状態を示している。この場合には、金属線材７３には電圧が印加されないため、回転構造体７２が回転することがない。また、上下のスイッチ部材８０、８０に対しても電圧が印加されないため、このスイッチ部８０、８０が動作することがない。伝達部材２０、２０における内周伝達面２７、外周伝達面２８は、テーパ面２２、２３、２９、３０からかみ合いが外れている。このため、伝達部材２０、２０は、円筒部９、ケーシング２１に対してフリーの状態になり、出力軸体８２は停止状態になっている。
【００８０】
図２０に示すように、開閉器７７をオンにして一方側、図において上方側のスイッチ部材８０に電圧を印加すると、金属線材７３に電圧が印加されて回転構造体７２が右回転しようとする。このとき、上方側のスイッチ部材８０のスイッチ部８１がプル動作し、上方側の伝達部材２０を下方側に押圧する。更に、コイルスプリング７４を介してこの押圧力が下方側の伝達部材２０まで伝わる。そのため、下方側の伝達部材２０も下方側に移動する。
【００８１】
そして、回転構造体７２の一側部、図において上部側では、伝達部材２０の外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面２９とがかみ合いつつ内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２２とのかみ合いが外れる。回転構造体７２の他側部、図において下部側では、外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面３０とのかみ合いが外れつつ内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２３とがかみ合った状態になる。
【００８２】
この状態で回転構造体７２が右回転しようとすると、この回転構造体７２の一側部がケーシング２１に回動不能に保持され、他側部が出力軸体８２と一体に回転可能になる。回転構造体７２に右回転のねじれ回転が生じると、このねじれ回転が他側部の伝達部材２０を介して出力軸体８２に伝達され、この出力軸体８２が回転構造体７２のねじれ回転に伴って回転動作する。
【００８３】
回転構造体７２のねじれ回転により出力軸体８２が所定角度まで回転した後には、図１９に示すように開閉器７７がオフとなり、電圧印加手段７５による電圧印加が停止する。これにより、スイッチ部８１が元の状態まで戻り、上方側の伝達部材２０へ押圧が解除される。続いて、外周伝達面２８とテーパ面２９とのかみ合いと、内周伝達面２７とテーパ面２３とのかみ合いが外れる。そして、回転構造体７２には上述したコイルスプリング７４によるバイアス力が働くため、この回転構造体７２が左方向にねじれ回転を生じて元の状態まで戻る。
【００８４】
その際、出力軸体８２は、回転構造体７２と共に回転することがないため、右回転した状態が維持され、出力軸体７２に接続されたバルブ５５の弁開度も維持される。以上の動作は、電圧印加手段７５によりパルス状電圧を１回印加した場合を述べたものである。引き続きパルス状電圧を繰り返し印加（開閉器７７を繰り返しオンオフ）し、回転構造体７２とスイッチ部材８０との動作と動作停止とを繰り返しておこなうことで、出力軸体８２をインチング動作で連続的に回転制御できる。
更に、上述したパルスエアの場合と同様に、パルス状電圧のパルス幅を所定間隔に制御することもできる。この場合、１回のパルス状電圧による出力軸体８２の回転角をより細かく調整できる。
【００８５】
出力軸体８２を逆回転させる場合には、図２１において、開閉器７７を他方側のスイッチ部材２０の電圧印加側にオンさせる。この場合、金属線材７３に電圧が印加されて回転構造体７２が左回転しようとすると共に、下方側のスイッチ部材８０のスイッチ部８１がプル動作して下方側の伝達部材２０を上方側に押圧する。この押圧力は、コイルスプリング７４により上方側の伝達部材２０に伝わり、この伝達部材２０も上方側に移動する。
【００８６】
このとき、回転構造体７２の下部側では、伝達部材２０の外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面３０とがかみ合いつつ内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２３とのかみ合いが外れる。回転構造体７２の上部側では、外周伝達面２８とケーシング２１のテーパ面２９とのかみ合いが外れつつ内周伝達面２７と円筒部９のテーパ面２２とがかみ合った状態になる。
【００８７】
この状態で回転構造体７２が左回転しようとすると、この回転構造体７２の他側部がケーシング２１に回転不能に保持され、一側部が出力軸体８２と一体に回転可能となる。回転構造体７２に左回転のねじれ回転が生じると、このねじれ回転が一側部の伝達部材２０を介して出力軸体８２に伝達され、この出力軸体８２が回転構造体７２のねじれ回転に伴って回転動作する。
【００８８】
続いて、電圧印加手段７５からの電圧の印加が停止すると、スイッチ部８１が元の状態まで戻ることで下方側の伝達部材２０への押圧が解除される。そして、伝達部材２０の外周伝達面２８、内周伝達面２７と、テーパ面３０、２２とのかみ合いが外れ、回転構造体７２がコイルスプリング７４のバイアス力で右方向にねじれ回転を生じて元の状態まで戻る。このとき、出力軸体８２は、左回転したままの状態が維持される。この状態から続けて他方側のスイッチ部材８０を繰り返し動作させるパルス状電圧を印加すると、上述した右回転の場合と同様に、出力軸体８２を連続的にインチング動作で回転制御できる。
【００８９】
図２３においては、本発明における回転アクチュエータの第４実施形態を示している。
この実施形態におけるアクチュエータ本体９０では、回転構造体９１の両端側外周面９１ａ、９１ａに熱収縮性チューブ９２が設けられている。熱収縮性チューブ９２としては、例えば、オレフィン系熱収縮チューブや熱収縮性シリコーンゴムチューブが用いられる。このように適度な収縮性、引張り強さ、伸び、引裂き強さを有し、かつ、広い使用温度範囲でも収縮性を発揮できる材料が好ましい。更に、このような特性を具備していれば、熱収縮性チューブ９２の代わりに各種の材料を使用することもできる。
【００９０】
熱収縮性チューブ９２は、回転構造体９１の両端側外周面９１ａ、９１ａに装着され、この状態で図示しないドライヤ等の適宜の加熱手段で加熱される。これにより、熱収縮性チューブ９２が熱収縮し、回転構造体９１を半径方向に圧縮密着し、かつ固着される。熱収縮性チューブ９２を配設すると回転構造体９１の両端側がその他の部分よりも肉厚の状態になる。回転構造体９１の外径側は、この熱収縮性チューブ９２により保護される。
【００９１】
熱収縮性チューブ９２が固着された回転構造体９１の両端部１０５、１０５は、伝達部材９３を成す内側伝達部材９４と外側伝達部材９５との間に収縮クランプ状態で固定保持される。内側伝達部材９４と外側伝達部材９５とは、それぞれに形成されたおねじ９６とめねじ９７との螺着により一体化する。回転構造体９１と熱収縮性チューブ９２とは、内側伝達部材９４により拡径保持されている。熱収縮性チューブ９２の外径側は、外側伝達部材９５により保護されている。
【００９２】
図２４に示すように、内側伝達部材９４の外周面９４ａには、少なくとも１つの竹の子部９８が形成されている。竹の子部９８は、リング状の突起形状を成し、回転構造体９１への挿入方向に対して次第に外径が拡径する断面略直角三角形状に設けられる。竹の子部９８の図示しない頂角は、鋭角状に形成されている。この鋭角形状の頂角により、竹の子部９８は、回転構造体９１両端部１０５、１０５の内周面９１ｂ、９１ｂに食い込むようになっている。竹の子部９８は、３つ程度形成されているとよい。
【００９３】
更に、竹の子部９８付近と熱収縮性チューブ９２との間には、図示しない接着剤が塗布されていてもよい。接着剤を塗布する場合、この接着剤としては、例えば、ＳＢＲ（スチレンゴム）系、ＣＲ（クロロプレンゴム）系などの合成ゴム系接着剤が好ましい。
【００９４】
外側伝達部材９５の内周側の熱収縮性チューブ９２との当接部位には、内側方向に適宜角度で曲折する曲折部９９が形成されている。曲折部９９と対向する内側伝達部材９４の外周部分には空間部１００が形成されている。熱収縮性チューブ９２と回転構造体９１の両端部１０５、１０５とは、端部側が曲折部９９により空間部１００側に曲折された状態で、内側伝達部材９４と外側伝達部材９５との間に固定保持されている。このとき、竹の子部９８に圧着固定されている。
【００９５】
上下の伝達部材９３、９３の間には、前述の実施形態と同様にスペーサ部材１０１が設けられている。スペーサ部材１０１の上下の端面１０１ａ、１０１ａは、メタルタッチの状態で内側伝達部材９４に接触している。そのため、スペーサ部材１０１は、伝達部材９３に対して滑らかに回転摺動可能になっている。内側伝達部材９４の外周には、環状当接部１０２が形成されている。環状当接部１０２は、外側伝達部材９５の対応位置に形成されたタッチ面１０３にメタルタッチの状態で当接している。
回転構造体９１は、スペーサ部材１０１と内側伝達部材９４とのメタルタッチ、内側伝達部材９４と外側伝達部材９５とのメタルタッチにより、軸方向の寸法精度が高められた状態で装着されている。そのため、収縮後の回転構造体９１の軸方向の寸法が一定に制御された状態で回転力を伝達可能になる。
【００９６】
上記のように、アクチュエータ本体９０は、熱収縮性チューブ９２を熱収縮で固着した回転構造体９１の両端部１０５、１０５を内側伝達部材９４と外側伝達部材９５との間に固定保持しているので、この肉厚部分により伝達部材９３に対して接触面圧を高め、その収縮力によって固定が強化された状態で回転構造体９１及び熱収縮性チューブ９２を固着できる。そのため、ねじれ力により回転構造体９１が伝達部材９３に対して緩んだり、回転構造体９１と伝達部材９３との固着部分の急激な消耗を防ぐことができる。熱収縮性チューブ９２は、熱収縮により回転構造体９１に被覆固着されているので、その収縮力に作用によって被覆面を気密状態にできる。
【００９７】
従って、回転構造体９１内への流体の加圧に対する封止性能を高めてエア漏れを防止できる。流体の加圧・減圧の繰返しに対しても、回転構造体９１が伝達部材９３から脱落することを防ぎ、その固着部分の疲労破断や亀裂・破損も防止できる。回転構造体９１は、スペーサ部材１０１と内側伝達部材９４、内側伝達部材９４と外側伝達部材９５とのメタルタッチを介して固定されているので、軸方向の長さが変化することがなく高精度の分解能を維持できる。回転構造体９１の螺着により熱収縮性チューブ９２を固定しているので分解や組立が容易である。この回転構造体９１の組付け構造により、アクチュエータを低コストに抑えつつ全体をコンパクトに形成可能である。
【００９８】
更に、内側伝達部材９４に形成した竹の子部９８の頂角部分に回転構造体９１を食い込ませながら、熱収縮性チューブ９２により回転構造体９１を外周側から半径方向に圧縮保持して装着しているため、回転構造体９１に作用する引張り方向の力に対して大きな引き抜き抵抗力を発生できる。このため、回転構造体９１の抜けや緩みを防止できる。外側伝達部材９５の曲折部９９で回転構造体９１及び熱収縮性チューブ９２が曲折されるため、竹の子部９８による引き抜き力に加えて抵抗力がより強く発揮される。
【００９９】
しかも、竹の子部９８と熱収縮性チューブ９２との間に接着剤を塗布した場合、この接着剤により熱収縮性チューブ９２を回転構造体９１に更に強固に固着できる。しかも、これらの間の隙間が塞がれることで流体漏れのおそれもない。
【０１００】
本発明の回転アクチュエータは、軸方向にねじれ角を有する回転構造体を駆動エネルギー源を介して回動可能に設け、この構造体の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体に伝達できる構造であれば、上述した以外の各種の構造に設けることもできる。この場合、回転構造体を、弾性体と線材、或は、形状記憶合金製の金属線材を含んだ構造以外の構造に設けることもできる。更に、回転アクチュエータは、バルブ以外の機器や装置などにも利用することができ、特に、高分解能による高精度の回転制御が必要な箇所に設けることでその回転制御機能を最大限に利用できる。
【０１０１】
また、伝達部材を動力伝達機構の片側のみに設けることにより、出力軸体の一方向のみの回転制御を実施することも可能であり、この場合には、動力伝達機構を簡略化できることでコンパクト化できる。
【符号の説明】
【０１０２】
１  アクチュエータ本体
２、７２  回転構造体
３  出力軸体
４  動力伝達機構
５  流体供給排出領域
６  流体供給排出手段（駆動エネルギー源）
７  弾性体
８  線材
９  円筒部
２０  伝達部材
２１  ケーシング
５５  バルブ
７３  金属線材
７５  電圧印加手段（駆動エネルギー源）
８２  出力軸体
９２  熱収縮性チューブ
９８  竹の子部
θ  ねじれ角
【図１】
2011055750.tif 000003
【図２】
2011055750.tif 000004
【図３】
2011055750.tif 000005
【図４】
2011055750.tif 000006
【図５】
2011055750.tif 000007
【図６】
2011055750.tif 000008
【図７】
2011055750.tif 000009
【図８】
2011055750.tif 000010
【図９】
2011055750.tif 000011
【図１０】
2011055750.tif 000012
【図１１】
2011055750.tif 000013
【図１２】
2011055750.tif 000014
【図１３】
2011055750.tif 000015
【図１４】
2011055750.tif 000016
【図１５】
2011055750.tif 000017
【図１６】
2011055750.tif 000018
【図１７】
2011055750.tif 000019
【図１８】
2011055750.tif 000020
【図１９】
2011055750.tif 000021
【図２０】
2011055750.tif 000022
【図２１】
2011055750.tif 000023
【図２２】
2011055750.tif 000024
【図２３】
2011055750.tif 000025
【図２４】
2011055750.tif 000026
【図２５】
2011055750.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月7日(2011.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向にねじれ角を有する回転構造体を駆動エネルギー源を介して回動可能に設け、この回動構造体を軸方向に拘束した状態で配設して構造体の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体に伝達すると共に、前記回転構造体と前記出力軸体との間に、前記回転構造体が逆方向に回転して元の状態に戻るときに前記出力軸体への回転伝達を停止する動力伝達機構を設け、この動力伝達機構は、前記回転構造体が発生した応力により一方向に回転するときに前記出力軸体に回転を伝達し、前記動力伝達機構は、前記出力軸体の外周側に設けられる円筒部と、この円筒部の外周側に軸方向に移動可能に装着され、内外周側に伝達面を有する伝達部材と、この伝達部材の外周側に配設される筒状のケーシングとを同軸に有し、前記回転構造体の両端側を前記伝達部材で保持しつつ、前記駆動エネルギー源を一側部から供給したときに、前記伝達部材が、前記回転構造体の一側部で前記ケーシングとかみ合いつつ前記円筒部とのかみ合いが外れ、他側部で前記ケーシングとのかみ合いが外れつつ前記円筒部とかみ合って前記回転構造体の一側部を前記ケーシングに保持しながら回転構造体にねじれ回転を加えて他側部を回転させ、この回転トルクを前記円筒部を介して前記出力軸体に伝達する機構であることを特徴とする回転アクチュエータ。
【請求項２】
前記回転構造体の両端側外周面に熱収縮性チューブを熱収縮により固着し、この熱収縮性チューブを固着した前記回転構造体の両端部を、前記伝達部材を成す内側伝達部材と外側伝達部材との螺着により固定保持した請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項３】
前記内側伝達部材の外周面に少なくとも１つの竹の子部を形成し、この竹の子部を前記回転構造体両端部の内周面に食い込ませた請求項２に記載の回転アクチュエータ。
【請求項４】
前記回転構造体は、円筒状の弾性体と、この弾性体の軸方向にねじれ角を有する複数の線材とを有し、前記弾性体の内側から圧力を加えたときに前記線材により軸方向のねじれ回転を生じる構造体である請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項５】
前記回転構造体の内側に密閉空間となる流体供給排出領域を設け、この流体供給排出領域内に駆動エネルギーとして適宜の流体の供給と排出とを繰り返し行って前記回転構造体の回転を前記出力軸体に伝達した請求項１乃至４の何れかに記載の回転アクチュエータ。
【請求項６】
前記流体供給排出領域に所定圧の流体をパルス状に印加する流体供給排出手段を駆動エネルギー源として接続した請求項５に記載の回転アクチュエータ。
【請求項７】
前記回転構造体は、軸方向にねじれ角を有し、電圧の印加時に長さの縮む形状記憶合金製の複数の金属線材を適宜数含んだ略円筒状の構造体である請求項１に記載の回転アクチュエータ。
【請求項８】
前記回転構造体に駆動エネルギー源として電圧印加手段を設け、この電圧印加手段により繰り返し電圧を印加して前記回転構造体の回転を前記出力軸体に繰り返し伝達した請求項７に記載の回転アクチュエータ。
【請求項９】
前記電圧印加手段は、電圧をパルス状に印加する機能を有する印加手段である請求項８に記載の回転アクチュエータ。
【請求項１０】
（削除）
【請求項１１】
（削除）
【請求項１２】
前記出力軸体に回転弁や昇降動弁等のバルブを接続した請求項１乃至９の何れか１項に記載の回転アクチュエータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
のように、これらのアクチュエータは、弾性体のねじれ変形をそのまま出力軸に伝達する構造である。この場合、線状材の張力によって生じる回転トルクは、回転軸の回転角が大きくなるにつれて弾性体のねじれ抵抗が増加することで減少するため、回転軸の回転トルクを一定に保つことができない。
［０００８］
そのため、これらのアクチュエータは、その回転角が一定限度内の範囲になるように回転動作が限定される補助機構として用いられることが多く、一定の回転トルクや高精度の回転制御・比例制御が要求されるバルブ用のアクチュエータとして使用することは難しくなっている。
［０００９］
本発明は、上記した実情に鑑み、鋭意検討の結果開発に至ったものであり、その目的とするところは、高トルク性を一定に保持しつつ高精度に回転制御でき、特に、各種バルブの回転制御用として好適な回転アクチュエータを提供することにある。
課題を解決するための手段
［００１０］
上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、軸方向にねじれ角を有する回転構造体を駆動エネルギー源を介して回動可能に設け、この回動構造体を軸方向に拘束した状態で配設して構造体の両端部に発生した応力を回転力に変換して出力軸体に伝達すると共に、前記回転構造体と前記出力軸体との間に、前記回転構造体が逆方向に回転して元の状態に戻るときに前記出力軸体への回転伝達を停止する動力伝達機構を設け、この動力伝達機構は、前記回転構造体が発生した応力により一方向に回転するときに前記出力軸体に回転を伝達し、前記動力伝達機構は、前記出力軸体の外周側に設けられる円筒部と、この円筒部の外周側に軸方向に移動可能に装着され、内外周側に伝達面を有する伝達部材と、この伝達部材の外周側に配設される筒状のケーシングとを同軸に有し、前記回転構造体の両端側を前記伝達部材で保持しつつ、前記駆動エネルギー源を一側部から供給したときに、前記伝達部材が、前記回転構造体の一側部で前記ケーシングとかみ合いつつ前記円筒部とのかみ合いが外れ、他側部で前記ケーシングとのかみ合いが外れつつ前記円筒部とかみ合って前記回転構造体の一側部を前記ケーシングに保持しながら回転構造体にねじれ回転を加えて他側部を回転させ、この回転トルクを前記円筒部を介して前記出力軸体に伝達する機構である回転アクチュエータである。
［００１１］
請求項２に係る発明は、回転構造体の両端側外周面に熱収縮性チューブを熱収縮により固着し、この熱収縮性チューブを固着した前記回転構造体の両端部を、前記伝達部材を成す内側伝達部材と外側伝達部材との螺着により固定保持した回転アクチュエータである。
［００１２］
請求項３に係る発明は、内側伝達部材の外周面に少なくとも１つの竹の子部を形成し、この竹の子部を前記回転構造体両端部の内周面に食い込ませた回転アクチュエータである。
［００１３］
請求項４に係る発明は、回転構造体は、円筒状の弾性体と、この弾性体の軸方向にねじれ角を有する複数の線材とを有し、前記弾性体の内側から圧力を加えたときに前記線材により軸方向のねじれ回転を生じる構造体である回転アクチュエータである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
［００１４］
請求項５に係る発明は、回転構造体の内側に密閉空間となる流体供給排出領域を設け、この流体供給排出領域内に駆動エネルギーとして適宜の流体の供給と排出とを繰り返し行って前記回転構造体の回転を前記出力軸体に伝達した回転アクチュエータである。
［００１５］
請求項６に係る発明は、流体供給排出領域に所定圧の流体をパルス状に印加する流体供給排出手段を駆動エネルギー源として接続した回転アクチュエータである。
［００１６］
請求項７に係る発明は、回転構造体は、軸方向にねじれ角を有し、電圧の印加時に長さの縮む形状記憶合金製の複数の金属線材を適宜数含んだ略円筒状の構造体である回転アクチュエータである。
［００１７］
請求項８に係る発明は、回転構造体に駆動エネルギー源として電圧印加手段を設け、この電圧印加手段により繰り返し電圧を印加して前記回転構造体の回転を前記出力軸体に繰り返し伝達した回転アクチュエータである。
［００１８］
請求項９に係る発明は、電圧印加手段は、電圧をパルス状に印加する機能を有する印加手段である回転アクチュエータである。
［００１９］
［００２０］
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
［００２１］
請求項１２に係る発明は、出力軸体に回転弁や昇降動弁等のバルブを接続した回転アクチュエータである。
発明の効果
［００２２］
請求項１に係る発明によると、回転構造体のねじれ回転により発生する応力を回転力に変換して出力軸体に伝達しているので、出力軸体の回転トルクを略一定に確保できる。しかも、出力軸体が一度に回転するときの回転角を小さくすることで高精度の分解能を発揮できる。さらに、回転構造体の小さい回転角による回転を出力軸体に連続的に伝達できるため円滑な回転制御が可能になり、各種バルブの回転制御用として利用することができる。これらの場合、拘束状態を交互に切り換えて回転方向を変化させることができる。また、例えば、電動アクチュエータの場合のように、ステッピングモータや専用の制御回路などを必要としないため、構造が複雑化することがなく全体のコンパクト化を図ることもできる。更に、駆動エネルギー源から駆動エネルギーを供給又は供給停止したときに駆動エネルギーの供給ごとに出力軸体を回転させることができる。このため、この回転構造体に繰り返し駆動エネルギーを供給することで、出力軸体を連続的に回転させることができる。これにより、出力軸体を安定したトルク特性により回転制御できる。更に、この動力伝達機構を出力軸体の相反する回転側に設けるようにすれば、出力軸を異なる回転方向に回転制御できる。具体的には、動力伝達機構における伝達部材と、ケーシング・円筒部とのかみ合いの組み合わせにより、回転構造体に発生した応力を確実に出力軸に伝達又は伝達を回避することができ、出力軸体の誤動作を防ぎつつ高精度の回転制御を実施することができる。この場合、円筒部にスプール的動作を発揮させながら、ねじれ回転の方向を適宜切り換える機能を有している。
［００２３］
請求項２に係る発明によると、回転構造体を伝達部材に対して強固に固着することができ、回転構造体が緩んだり脱落したり急激に消耗することを防いで、優れた封止性能を発揮して回転アクチュエータとして高精度の分解能を維持できる。
［００２４］
請求項３に係る発明によると、回転構造体を抜け方向の抵抗を増加させて抜けや緩みを確実に防止しながら動作させることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
［００２５］
請求項４又は５に係る発明によると、回転構造体の内側に所定圧の流体を繰り返し供給又は排出することで出力軸体を少しずつ連続的に回転させることができ、この出力軸体を、一定のトルク性を確保しながら所定角度まで回転制御させることができる。しかも、流体としてエアを用いた場合には、弾性体の内側への供給と排出とを迅速かつスムーズにできるため、出力軸体をより滑らかに回転制御できる。
［００２６］
請求項６に係る発明によると、流体供給排出領域に所定圧のパルスエアを繰り返し印加することで出力軸体を極僅かずつ回転させ、略一定の回転トルクを発揮させながら出力軸体を回転制御することで安定したトルク特性を発揮できる。
［００２７］
請求項７又は８に係る発明によると、回転構造体に電圧を繰り返し印加又は印加停止するだけで出力軸体を少しずつ連続的に回転させることができ、この出力軸体を一定のトルク性を確保しながら所定角度まで回転制御することができる。しかも、電圧印加手段を小型化して設備全体のコンパクト化を図ることもできる。
［００２８］
請求項９に係る発明によると、電圧印加手段により電圧をパルス状に繰り返し印加することで出力軸体を極僅かずつ回転させ、略一定の回転トルクを発揮させながら出力軸体を回転制御することで安定したトルク特性を発揮できる。
［００２９］
［００３０］
［００３１］
請求項１２に係る発明によると、複雑な機構を必要とすることなく単純な構成により設けることができ、コンパクト性を発揮しながら各種バルブに接続してこのバルブを高精度に回転制御することができる。
【国際調査報告】
2011055750.tif 000028
2011055750.tif 000029
2011055750.tif 000030
2011055750.tif 000031